Thép là gì? Thép là hợp kim của sắt (Fe) với cacbon (C), trong đó cacbon chiếm tối đa khoảng 2,14% khối lượng. Ngoài hai nguyên tố này, thép luôn có mangan, silic và một lượng nhỏ tạp chất phốt pho, lưu huỳnh. Nhờ vừa bền vừa dẻo, rèn, cán, hàn được, thép là nền của hầu hết thân van, mặt bích và ống dẫn công nghiệp.
Mục lục
Thép là gì?
Theo giản đồ pha Fe–Fe₃C, 2,14% là độ hòa tan tối đa của cacbon trong sắt austenit (ở khoảng 1.147°C). Hợp kim có C dưới ngưỡng này khi đông đặc vẫn là dung dịch rắn đồng nhất, nên dẻo và gia công nóng được. Trong công nghiệp, thép thường chỉ chứa dưới khoảng 1,5% C vì quá mức đó thép trở nên giòn và khó gia công. Có thể xem thêm định nghĩa chung tại Wikipedia (Steel).
Xét về thành phần, mỗi nguyên tố trong thép có một nhiệm vụ riêng:
- Sắt (Fe): nền kim loại, thường trên 95% khối lượng.
- Cacbon (C): nguyên tố quyết định độ bền và độ cứng. Cacbon càng cao thì thép càng bền, nhưng càng kém dẻo.
- Mangan (Mn), silic (Si): khử oxy và lưu huỳnh khi luyện, đồng thời làm tăng độ bền. Mn thường 0,3–1,5%, Si 0,1–0,6%.
- Phốt pho (P), lưu huỳnh (S): tạp chất cần giữ thấp (thường dưới 0,04–0,05%). P làm thép giòn nguội, S làm thép giòn nóng khi cán, rèn.
- Cr, Ni, Mo, V: nguyên tố hợp kim thêm có chủ đích để tăng độ thấm tôi, chịu nhiệt hoặc chống ăn mòn.
Với câu hỏi thép trong hóa học là gì: thép không phải nguyên tố hay hợp chất có công thức cố định. Đó là hợp kim, tức hỗn hợp các pha của sắt và cacbon (ferit, austenit, cementit, perlit, martensit) với tỷ lệ phụ thuộc thành phần và nhiệt luyện.
Thép khác gang thế nào
Ranh giới giữa thép và gang là hàm lượng cacbon 2,14%; đây là mốc đầu tiên khi định nghĩa thép là gì. Gang có C cao hơn (thường 2,5–4,0%), nên cacbon tồn tại dưới dạng graphit hoặc cementit tự do. Chính lượng cacbon này làm nhiệt độ nóng chảy của gang giảm xuống khoảng 1.150–1.250°C, thấp hơn thép (khoảng 1.425–1.540°C), nên gang đúc dễ nhưng giòn. Cấu tạo, các loại gang xám, gang cầu được trình bày riêng ở bài gang là gì.
| Tiêu chí | Thép | Gang |
|---|---|---|
| Hàm lượng C | Đến khoảng 2,14% | Trên 2,14%, thường 2,5–4,0% |
| Nhiệt độ nóng chảy | Khoảng 1.425–1.540°C | Khoảng 1.150–1.250°C |
| Độ dẻo | Cao, kéo giãn được | Rất thấp, giòn |
| Gia công | Rèn, cán, hàn, nhiệt luyện | Chủ yếu đúc; hàn khó |
| Ứng dụng điển hình | Kết cấu, trục, ống, mặt bích | Thân van, thân máy, nắp hố ga |
Tính chất của thép
Để trả lời thép là gì dưới góc nhìn kỹ sư, cần xét ba nhóm tính chất: vật lý, cơ học và hóa học.
Tính chất vật lý
Khối lượng riêng của thép cacbon xấp xỉ 7.850 kg/m³ (7,85 g/cm³), tức 1 m³ thép nặng khoảng 7,85 tấn. Giá trị của inox, đồng, gang và vật liệu làm van có trong bảng khối lượng riêng vật liệu làm van, kèm công thức tính khối lượng tấm, ống, thanh tròn.
| Tính chất | Thép cacbon | Đồng |
|---|---|---|
| Khối lượng riêng | 7.850 kg/m³ | 8.960 kg/m³ |
| Nhiệt độ nóng chảy | 1.425–1.540°C (giảm khi C tăng) | 1.085°C |
| Mô đun đàn hồi | 200–210 GPa | Khoảng 110–130 GPa |
| Độ dẫn nhiệt | Khoảng 45–50 W/(m·K) | Khoảng 385–400 W/(m·K) |
| Độ dẫn điện (đồng = 100%) | Khoảng 10–15% | 100% |
Thép dẫn điện kém hơn đồng nhiều lần, vì vậy không dùng làm dây dẫn mà chỉ làm kết cấu, vỏ và thân thiết bị. Độ dẫn nhiệt 45–50 W/(m·K) đủ để truyền nhiệt qua thành ống, thành nồi hơi. Thép cacbon và thép hợp kim thấp bị nam châm hút, còn inox austenit (304, 316) ở trạng thái ủ gần như không hút.
Tính chất cơ học
Cơ tính của thép phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng cacbon và nhiệt luyện. Khi C tăng, tỷ lệ perlit (lớp xen kẽ ferit mềm và cementit Fe₃C cứng) tăng, nên độ bền và độ cứng tăng còn độ dẻo, độ dai giảm. Ví dụ, thép kết cấu SS400 có giới hạn bền kéo 400–510 MPa, trong khi thép C45 tôi ram đạt 700–850 MPa ở đường kính nhỏ.
Mô đun đàn hồi gần như không đổi giữa các mác (200–210 GPa). Thép bền hơn không “cứng” hơn khi chịu tải đàn hồi, chỉ chịu được ứng suất lớn hơn trước khi biến dạng dẻo hoặc đứt. Khi cần độ bền cao hơn, kỹ sư tăng C, thêm nguyên tố hợp kim hoặc nhiệt luyện (thường hóa, tôi, ram).
Tính chất hóa học
Một điểm yếu cần biết khi tìm hiểu thép là gì: thép cacbon dễ gỉ trong môi trường ẩm. Sắt phản ứng với oxy và nước tạo oxit sắt ngậm nước, lớp gỉ này xốp, bám kém nên không ngăn được oxy và nước đi tiếp vào bên trong. Muối và ion Cl⁻ làm quá trình diễn ra nhanh hơn. Do đó thép cacbon phải được sơn, mạ kẽm nhúng nóng (kẽm bị ăn mòn thay cho thép) hoặc thay bằng thép chứa crom từ 10,5% trở lên.
Phân loại thép
Thép là gì còn tùy cách phân nhóm. Cách phổ biến nhất dựa vào thành phần hóa học: thép cacbon, thép hợp kim và thép không gỉ.
| Nhóm | Tiêu chí | Mác ví dụ | Dùng trong ngành van |
|---|---|---|---|
| Cacbon thấp | C dưới 0,25% | SS400; A105 (C tối đa 0,35%) và WCB (C tối đa 0,30%), thực tế thường 0,2–0,3% C | Mặt bích, bản mã, phụ kiện rèn, thân van đúc |
| Cacbon trung bình | C 0,25–0,6% | C45 | Trục, chốt, tay quay |
| Cacbon cao | C trên 0,6% | Thép lò xo, thép dụng cụ | Lò xo, chi tiết chịu mài mòn |
| Hợp kim thấp | Tổng nguyên tố hợp kim đến khoảng 5% | 42CrMo4 | Bu lông, trục chịu tải |
| Hợp kim cao | Trên khoảng 10% | Inox 304, 316 | Thân, trục van chống ăn mòn |
Thép cacbon thấp
Thép cacbon thấp có C dưới 0,25%, tổ chức chủ yếu là ferit mềm và ít perlit. Loại này dẻo, hàn tốt nhưng không tôi cứng được, vì lượng C quá ít để tạo martensite khi làm nguội nhanh. Thép SS400 theo JIS G3101 là mác phổ biến nhất của nhóm này, dùng làm kết cấu và mặt bích áp thấp.
Thép cacbon trung bình
Với C từ 0,25 đến 0,6%, thép vừa bền hơn vừa có thể nhiệt luyện. Thép C45 (khoảng 0,45% C) là ví dụ điển hình: đủ cacbon để tạo martensite sau khi tôi, rồi ram để lấy lại độ dai. Đổi lại, khả năng hàn kém hơn nhóm cacbon thấp.
Thép cacbon cao
Thép có C trên 0,6% (đến khoảng 1,5%) rất cứng và chịu mài mòn nhưng giòn, hàn khó. Nhóm này dùng cho lò xo, dây thép cường độ cao và dụng cụ cắt, ít gặp ở thân van.
Thép hợp kim
Thép hợp kim có thêm Cr, Mo, Ni, V để tăng độ thấm tôi (lõi tiết diện lớn vẫn cứng), độ bền ở nhiệt độ cao hoặc độ dai ở nhiệt độ thấp. Thép hợp kim thấp có tổng nguyên tố hợp kim đến khoảng 5%, ví dụ 42CrMo4 (khoảng 1% Cr và 0,2% Mo) dùng cho bu lông, trục chịu tải. Thép hợp kim cao trên khoảng 10% là các họ thép không gỉ và thép dụng cụ.
Thép không gỉ
Thép không gỉ (inox) có Cr từ 10,5% trở lên. Crom tạo trên bề mặt một màng Cr₂O₃ mỏng, liên tục, tự tái tạo khi có oxy, nên thép không bị gỉ lan vào bên trong. Nếu muốn hiểu các họ austenit, ferit, martensit và duplex, xem bài vật liệu inox là gì.
Thép là gì trong van và phụ kiện đường ống
Thân van, mặt bích và ống thường dùng thép cacbon vì rẻ, bền, hàn được và dễ gia công. Các mác sau xuất hiện nhiều nhất trong catalogue van công nghiệp:
| Mác | Tiêu chuẩn | Dạng | Ứng dụng | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|
| WCB | ASTM A216 | Đúc | Thân, nắp van hơi, dầu, khí | Dùng khoảng −29…425°C theo ASME B16.34 |
| A105 | ASTM A105 | Rèn | Mặt bích ASME, phụ kiện rèn, van rèn cỡ nhỏ | Thép cacbon, không chống ăn mòn |
| SS400 | JIS G3101 | Cán | Mặt bích JIS áp thấp, bản mã, giá đỡ | Không quy định C, Mn |
| C45 | EN 10083-2 | Cán, rèn | Trục, chốt, tay quay | Tôi ram được, dễ gỉ |
| A106 Gr.B | ASTM A106 | Ống đúc liền | Đường ống nhiệt độ cao | Chọn theo lịch ống (SCH) |
| 304, 316 | ASTM A240, A182, A351 | Tấm, rèn, đúc | Môi chất ăn mòn, thực phẩm | Chứa Cr khoảng 16–20% |
Với chi tiết rèn chịu áp như mặt bích, khớp nối, van rèn, mác chuẩn là thép A105 theo ASTM A105. Với thân van có hình dạng phức tạp, người ta đúc thép cacbon theo ASTM A216; ý nghĩa các ký hiệu trên thân van được giải thích trong bài vật liệu WCB, CF8, CF8M.
Đường ống gồm ống thép đúc liền hoặc ống hàn, nối bằng cút, tê, côn, măng sông. Nếu cần so sánh ống đúc và ống hàn theo tiêu chuẩn, xem tổng quan về ống thép; các loại phụ kiện thép hàn và nối ren có ở danh mục sản phẩm của Viva, cùng các loại mặt bích theo JIS, DIN, ANSI.
Lưu ý: WCB, A105, SS400 và C45 đều là thép cacbon, không chống ăn mòn hóa chất hay nước biển. Khi môi chất ăn mòn, hãy chuyển sang inox 304, 316 hoặc vật liệu phi kim.
Ứng dụng khác của thép
Ngoài ngành van, thép là vật liệu chính của kết cấu nhà xưởng, cầu, cốt thép bê tông và thân tàu. Thép xây dựng yêu cầu bền kéo và hàn được. Thép đóng tàu được cung cấp theo các cấp của tổ chức đăng kiểm, quy định thêm về độ dai va đập.
Quy trình sản xuất thép
Xét về công nghệ, câu trả lời cho thép là gì khá cụ thể: đó là gang lò cao đã được giảm cacbon và chỉnh thành phần. Quá trình bắt đầu từ lò cao: quặng sắt, than cốc và đá vôi được nạp vào, khí CO khử oxit sắt thành gang lỏng chứa khoảng 4% C. Gang lỏng sau đó được chuyển sang lò thổi oxy (BOF), nơi oxy đốt bớt cacbon, silic, phốt pho xuống mức của thép; lưu huỳnh được khử riêng trước hoặc sau công đoạn này. Với thép phế liệu, người ta nấu trong lò điện hồ quang (EAF).
Thép lỏng tiếp tục qua luyện ngoài lò để chỉnh thành phần, khử khí và khử tạp chất, rồi đúc liên tục thành phôi vuông, phôi tấm. Phôi được cán nóng thành thép hình, thép tấm, thép cuộn; một phần cán nguội để có bề mặt nhẵn và dung sai chặt. Thép rèn như A105 thì phôi được nung và rèn dập thành hình mặt bích, phụ kiện.
Viva cung cấp van và phụ kiện bằng thép tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội; giao hàng toàn quốc. Liên hệ kỹ thuật để chọn đúng mác thép theo môi chất, áp suất và nhiệt độ:
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp
1 m³ thép nặng bao nhiêu kg?
Thép cacbon có khối lượng riêng khoảng 7.850 kg/m³ nên 1 m³ thép nặng khoảng 7.850 kg, tức 7,85 tấn. Thép không gỉ nặng hơn một chút (inox 304 khoảng 7.930 kg/m³). Công thức tính khối lượng tấm, ống, thanh tròn có trong bài khối lượng riêng của thép.
Thép có bị nam châm hút không?
Thép cacbon và thép hợp kim thấp bị nam châm hút vì có tổ chức ferit và perlit mang từ tính. Inox austenit như 304, 316 ở trạng thái ủ gần như không hút, nhưng có thể hút nhẹ sau khi gia công nguội. Vì vậy không dùng nam châm để phân biệt chắc chắn các mác inox.
Thép và sắt khác nhau thế nào?
Sắt nguyên chất gần như không chứa cacbon, rất mềm và ít dùng trong kết cấu. Thép là hợp kim sắt với cacbon dưới khoảng 2,14%, bền hơn nhiều và nhiệt luyện được. Trong đời sống, từ sắt thường chỉ thép cacbon thấp như thép xây dựng, thép tấm, thép hình.
Xem thêm: chuyên mục các loại vật liệu với các bài về vật liệu làm van và phụ kiện.
